【正文】 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 1 第五章： MOS器件 167。 MOS結構的基本性質(zhì)及 MOS二極管 167。 MOS場效應晶體管的基本理論 167。 MOSFET的頻率特性 167。 MOSFET的擊穿特性 167。 MOSFET的功率特性和功率 MOSFET結構 167。 MOSFET的開關特性 167。 MOSFET的溫度特性 167。 MOSFET的短溝道和窄溝道效應 167。 短溝道 MOSFET 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 2 簡介 ? MOSFET在半導體器件中占有相當重要的地位，它是大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路中最主要的一種器件。 ? MOSFET是一種表面場效應器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。它和前面介紹的 JFET、MESFET統(tǒng)稱為場效應晶體管，其工作以半導體的場效應為物理基礎。 ? 與兩種載流子都參加導電的雙極晶體管不同。場效應晶體管的工作原理是以簡單的歐姆定律為根據(jù)的，而雙極晶體管是以擴散理論為根據(jù)的。雙極晶體管是電流控制器件，而場效應晶體管則是電壓控制器件。 ? 與 JFET和 MESFET柵壓控制導電溝道截面積不同， MOS器件柵壓控制的是導電溝道的載流子濃度。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 3 ? 與雙極晶體管相比，場效應晶體管的優(yōu)點是： （ 1）輸入阻抗高。一般為 1010Ω的數(shù)量級，最高可達 1013Ω，這有利于放大器各級間的直接耦合，且只需要很小的前級驅動電流，并可與多個 FET并聯(lián)； （ 2）場效應晶體管的輸入功耗很?。? （ 3）溫度穩(wěn)定性好；因為它是多子器件，其電學參數(shù)不易隨溫度而變化。例如當溫度升高后， FET溝道中的載流子數(shù)略有增加，但同時又使載流子的遷移率稍為減小，這兩個效應正好相互補償，使 FET的放大特性隨溫度變化較小； （ 4）場效應晶體管的增益（即柵的跨號 gm）在較大漏電流條件下基本上不變化。而雙極晶體管的 hFE（ IC）在大電流下卻很快下降； （ 5）噪聲系數(shù)小，這是因為 FET依靠多子輸運電流，故不存在雙極晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲； （ 6）抗輻射能力強。雙極晶體管受輻射后非平衡少子壽命降低，故電流增益下降。 FET的特性與載流子的壽命關系不大，故抗輻射性能較好； （ 7）增強型 MOS晶體管之間存在著天然的隔離，可以大大地提高 MOS集成電路的集成度。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 4 ? 場效應晶體管與雙極晶體管相比也存在一些缺點： （ 1）工藝環(huán)境要求高； （ 2）場效應管的速度比雙極晶體管的速度低等。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 5 167。 MOS結構的基本性質(zhì)及 MOS二極管 基本結構和能帶圖 MOS結構指金屬－氧化物－半導體結構： 半導體作為襯底，假定均勻摻雜； 氧化物一般為 SiO2，生長工藝簡單， SiO2 /Si的界面態(tài)密度 1010cm2（單位面積界面陷阱數(shù)）； 金屬泛指柵極材料，不僅限于金屬。目前主要采用多晶硅或難熔金屬硅化物。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 6 SiO2 metal semiconductor Si d Ohmic contact MOS二極管的結構圖 MOS二極管是重要的半導體器件，在半導體表面的 研究中及其有用 。 V GND 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 7 理想 MOS二極管的能帶圖 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 8 理想 MOS二極管的定義： 1） 零偏壓下 ,能帶是平的 。 ? ? ? ? 02 ???????????? BEmsmms qqqqqq g?2）任意偏置下，二極管中只有兩部分數(shù)量相等但符號相反的電荷：半導體中的電荷和靠近氧化物的金屬表面上的電荷。 3）在直流偏置下，氧化層中沒有載流子輸運，或者說氧化物的電阻無限大。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 9 平帶電壓 ? 在 MOS結構中，金屬和半導體之間因功函數(shù)差而產(chǎn)生一定的固有電壓，并造成半導體能帶彎曲，如果金屬對半導體加相反電壓使之平衡其固有電壓，則半導體表面和體內(nèi)一樣，能帶處處平坦。外加的能使半導體能帶是平的電壓稱為平帶電壓 VFB。 ? 對于實際的 SiO2/Si MOS二極管，在系統(tǒng)中有所謂的有效界面電荷，將在金屬和半導體內(nèi)感應極性相反的電荷，是造成半導體能帶不平的另一個原因，這時，必須再加一個電壓才能使半導體中的電荷完全消失，能帶處處拉平。 ? 因此實際 MOS結構，平帶電壓分為兩部分： VFB=VFB1+VFB2。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 10 （ 1） VFB1：用來抵消功函數(shù)差的影響 BGiFmgmsSmFB qEEqqEqqqqV ??????? ???????????? )2/(1其中， FiFB qEE ?? ????相對于本征費米能級定義的半導體材料的費米勢。 對于給定的 MOS結構， mS? 即 VFB1，決定于 MOS結構所用的柵極材料和 半導體摻雜濃度。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 11 ? 多晶硅是一種十分重要的柵極材料，主要優(yōu)點是能承受器件制作中的高溫過程。因此 Poly－ Si又可充當源漏區(qū)的掩模，得到?jīng)]有柵源交疊或柵漏交疊的自對準柵。對于多晶硅柵，應以多晶硅的費米勢表示，多晶硅作柵一般是高摻雜的，因此費米能級靠近導帶底或價帶頂?shù)模藭r 即， 其中， p型?。?， n型取－。 eVEE iF ???VG ??? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 12 （ 2） VFB2：用來消除有效界面電荷的影響 SiO2層內(nèi)部及 SiO2/Si界面存在電荷，基本分類：界面陷阱電荷，氧化物固定電荷，氧化物陷阱電荷和可動離子電荷。 ? 界面陷阱電荷 Qit：歸因于 SiO2/Si界面性質(zhì)，并取決于該界面的化學組分，在 SiO2/Si界面上的陷阱，其能級位于硅禁帶之內(nèi)，和晶面取向有關。 ? 氧化物固定電荷 Qf：位于 SiO2/Si界面約 30197。范圍內(nèi)，在表面勢大幅度變化時也不能充放電， Qf通常是正的，并和氧化、退火條件、 Si晶面取向有關。 ? 氧化物陷阱電荷 Qot：和 SiO2的缺陷有關，分布在 SiO2層內(nèi)，和工藝過程有關的 Qot可以通過低溫退火除掉大部分。 ? 可動離子電荷 Qm：如 Na＋ 等堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們可以在氧化層內(nèi)移動。因此，在器件制造中，要防止可動離子的玷污。 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 13 ? 為簡化分析，常假定它們都固定在 SiO2/Si界面上，其面密度為 Q0，對 SiO2/Si系統(tǒng)，無論是 p型襯底或n型襯底， Q0總是正的，在現(xiàn)代工藝水平下可低至1010C/cm2。 Q0將在金屬和半導體中感應極性相反的電荷 Q0，因此必須在金屬上提供全部所需的Q0，即除了 ，還有： ? 電源的負極與金屬相連， Cox是柵氧化層的單位面積電容， 其中 εox、 dox分別為柵氧化層的介電常數(shù)和厚度。 mS?oxFB CQV 02 ??oxoxox dC?? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 14 表面勢 ΨS ? 氧化層下的半導體表面通常簡稱表面。當柵對襯底的外加電壓 VGB不等于平帶電壓 VFB時，半導體將出現(xiàn)表面電荷層，在它之外的半導體內(nèi)部都是電中性的，表面層上的電勢降落稱為表面勢 ΨS，規(guī)定電勢降落的方向由表面指向體內(nèi)，由此，表面電勢高于體內(nèi)時， ΨS為正，反之為負。 ? 熱平衡時，表面處的電子濃度和空穴濃度用 ΨS表示為： kTqS Senn /0 ??kTqS Sepp /0 ??? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 15 電勢平衡和電荷平衡 ? 一般外加柵壓 VGB時，半導體表面將出現(xiàn)電荷，并有電勢降落，如下圖所示。 ? 電勢平衡方程 其中 VGB為柵襯底偏壓， ψox是柵氧化層上電壓， ψS是表面勢， φmS是襯底對柵的接觸電勢差。由于 φmS與外加電壓無關，因此柵襯底偏壓VGB改變 ΔVGB時， ? 電荷平衡方程（電中性條件） 其中， QG是柵電荷， ， QS為表面層電荷， Q0是有效界面電荷。單位為 C/cm2。 ? 由于 Q0是不變的，因此 mSSoxGBV ??? ???SoxGBV ?? ?????00 ??? Q SGoxoxG CQ ??0???? SG 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 16 半導體表面狀態(tài) 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 17 積累 : Qm QS d x 電 荷分布 ? ? kTEEiPFienP ??x E(X) 電場 分布 靠近 氧 化 層 的半 導 體表面形成空穴 積 累 積累情況下能帶圖及電荷分布 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 18 耗 盡 : EF Vg0 EF Ev Ec Ei WqNQ Asc ??電 荷分布 E(X) x 電場 分布 x w Qm d )(x? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 19 強反型 : ? ? kTEEip iFenn?? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 20 強反型 : x wm Qm d Qn Qsc Charge Distribution mAnss WqN ????Electric Field x E(x) 一旦反型 層 形成，能 帶 只要再向下 彎 一點點， 對應 于耗盡層寬 度增加很小，就 會 使反型 層內(nèi) 的 電 荷 Qn大大增加，因此表面耗 盡層寬 度 達 到最大 值 Wm。 )(x? 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 21 表面耗 盡區(qū) －半 導 體 內(nèi)靜電勢為 0， 參 考零點取本征 費 米能 級 Ei ? 0??在半 導 體表面 s??? )0(EF Ei Semiconductor surface EC Ev Eg Bq?sq?Oxide x Ptype silicon )(xq?0??s 中國科學技術大學物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 22 表面 處載 流子 濃 度 為 : kTqiS Bsenn )( ????kTqiS sBenp )( ???? 表面 勢 分 為 以下幾 種 ： 0??s 空穴 積 累 (能 帶 向上 彎 曲 ) 0??s